类金刚石碳膜制备工艺及掺杂性能研究

论文摘要

本文基于产业化应用和改善类金刚石膜与基体结合力为目的,在大型工业用等离子体—离子束增强沉积系统中,获得了DLC膜和梯度复合DLC膜。采用了闭合场非平衡磁控溅射和90°弯管磁过滤阴极弧两种适合产业化的技术,在单晶硅基体上沉积DLC膜,研究了工艺参数对DLC膜的结构和性能的影响。为提高DLC膜与基体的结合力,采用金属离子注入技术和真空阴极弧—非平衡磁控溅射复合沉积技术,制得了Ti-DLC膜和Ti/TiN/TiCN/TiC/DLC梯度复合膜。 采用闭合场非平衡磁控溅射技术获得了高沉积率（最高3.48μm/h）、硬度11.7～14.1GPa、sp3键含量可达43.8%、表面光滑（<2nm）的DLC膜。靶电流增加,靶的溅射能力增强,极大地增加了DLC膜的沉积率;碳离子能量增加,表面粗糙度降低,膜层中sp3键的份数和硬度增加,与此同时膜层中的内应力随之增加,临界载荷降低。 采用90°弯管磁过滤阴极弧技术,研究了衬底偏压对ta-C膜结构和性能的影响。在衬底偏压为—75V时,即离子能量约100eV时获得了高硬度（31GPa）、低摩擦系数（0.1）的ta-C膜。90°弯管磁过滤器起到了良好的过滤效果,离子能量随偏压的增加而增加,对大颗粒优先溅射,减小了宏观颗粒的尺寸,改善了ta-C膜的表面性能。离子能量增加,表面发生石墨化,ta-C膜的硬度和弹性模量降低,但膜层的内应力亦随之降低,膜层与基体的附着强度增加,膜基结合得以改善。衬底偏压为—300V时,薄膜的综合性能最佳。 研究了钛离子注入对DLC膜结构和性能的影响,分析结果表明:钛离子注入提高了DLC膜的硬度和弹性模量,降低了表面粗糙度和摩擦系数。钛离子注入后DLC膜的应力状态发生改变,由压应力转变为拉应力。TEM和XPS分析表明,膜层中形成TiC纳米晶,高能钛离子和一部分碳原子扩散到基体中,使得DLC膜与基体的界面展宽,形成良好的界面混合,DLC膜与基体的结合力和抗磨损性得以改善。注入离子能量和剂量影响着薄膜的性能,增加注入离子剂量、降低注入离子能量,使得膜层的性能得到进一步的提高。 采用真空阴极弧—非平衡磁控溅射复合沉积技术获得了与基体（尤其是钛合金基体）结合良好的梯度复合DLC膜。膜层的硬度值是梯度过渡的,对DLC层起到了良好的支撑作用,提高了膜层的抗磨损性和附着强度。梯度复合DLC膜的表面粗糙度为12.3nm,较单层DLC膜的高,然而摩擦系数却略低于单层DLC膜,与其它沉积方法相

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 DLC膜的结构
• 1.2.1 DLC膜的结构模型
• 1.2.2 DLC膜的结构分析方法
• 1.3 DLC膜的制备技术
• 1.3.1 离子束沉积法
• 1.3.2 磁控溅射法
• 1.3.3 真空阴极电弧沉积法
• 1.3.4 等离子体增强化学气相沉积法
• 1.4 DLC膜的生长机理
• 1.5 DLC膜的性能
• 1.5.1 DLC膜的机械性能
• 1.5.2 DLC膜的摩擦学性能
• 1.5.3 DLC膜的电学性能
• 1.5.4 DLC膜的光学性能
• 1.6 DLC膜在应用中存在的问题及解决方法
• 1.6.1 多层膜技术
• 1.6.2 掺杂技术
• 1.7 本文主要研究内容
• 2 实验设备及分析方法
• 2.1 实验设备
• 2.1.1 DLC膜及梯度复合膜制备系统简介
• 2.1.2 离子注入设备简介
• 2.2 DLC膜的制备工艺
• 2.2.1 基体材料及准备
• 2.2.2 DLC膜的制备工艺
• 2.2.3 离子注入掺杂DLC膜的制备工艺
• 2.2.4 梯度复合DLC膜的制备工艺
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 表面形貌分析
• 2.3.2 成分和结构分析
• 2.3.3 机械性能分析
• 2.3.4 摩擦学性能分析
• 2.3.5 表面吸附力测试
• 3 闭合场非平衡磁控溅射（CFUBMS）沉积DLC膜工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 闭合场非平衡磁控溅射系统的特性
• 3.3 闭合场非平衡磁控溅射DLC膜的表面形貌与结构
• 3.3.1 闭合场非平衡磁控溅射DLC膜的表面形貌
• 3.3.2 闭合场非平衡磁控溅射DLC膜的结构
• 3.4 闭合场非平衡磁控溅射DLC膜的机械性能
• 3.4.1 闭合场非平衡磁控溅射DLC膜的硬度
• 3.4.2 闭合场非平衡磁控溅射DLC膜的内应力
• 3.4.3 闭合场非平衡磁控溅射DLC膜的附着强度
• 3.5 闭合场非平衡磁控溅射DLC膜的摩擦学性能
• 3.6 本章小结
• 4 磁过滤阴极弧（FCVA）沉积ta-C膜工艺研究
• 4.1 引言
• 4.2 磁过滤阴极弧沉积ta-C膜的表面形貌与结构
• 4.2.1 磁过滤阴极弧沉积ta-C膜的表面形貌
• 4.2.2 磁过滤阴极弧沉积ta-C膜的结构
• 4.3 磁过滤阴极弧沉积ta-C膜的机械性能
• 4.3.1 磁过滤阴极弧沉积ta-C膜的硬度
• 4.3.2 磁过滤阴极弧沉积ta-C膜的内应力
• 4.3.3 磁过滤阴极弧沉积ta-C膜的附着强度
• 4.4 磁过滤阴极弧沉积ta-C膜的摩擦学性能
• 4.5 本章小结
• 5 钛离子注入掺杂DLC膜结构和性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 钛离子注入DLC膜的表面形貌与结构
• 5.2.1 钛离子注入DLC膜的表面形貌
• 5.2.2 钛离子注入DLC膜的结构
• 5.3 钛离子注入DLC膜的机械性能
• 5.3.1 钛离子注入DLC膜的硬度
• 5.3.2 钛离子注入DLC膜的内应力
• 5.3.3 钛离子注入DLC膜的附着强度
• 5.4 钛离子注入DLC膜的摩擦学性能
• 5.5 本章小结
• 6 梯度复合DLC膜结构和性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 梯度复合DLC膜的表面形貌与结构
• 6.2.1 梯度复合DLC膜的表面形貌
• 6.2.2 梯度复合DLC膜的结构
• 6.3 梯度复合DLC膜的机械性能
• 6.3.1 梯度复合DLC膜的硬度
• 6.3.2 梯度复合DLC膜的附着强度
• 6.4 梯度复合DLC膜的摩擦学性能
• 6.5 梯度复合DLC膜的应用
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书